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为解决充血性心力衰竭（CHF）患者液体监测难题，研究人员开展 “Digital twin driven electrode optimization for wearable bladder monitoring via bioimpedance” 研究。通过数字孪生优化电极，实现高效膀胱体积估计，量化腹水影响，有望降低 CHF 死亡率。
在医疗领域，充血性心力衰竭（Congestive Heart Failure，CHF）如同一个隐藏在暗处的 “健康杀手”，悄然威胁着众多患者的生命。据统计，仅在美国，就约有 650 万成年人受其困扰。CHF 常伴随着液体过载问题，这也是患者频繁住院的主要原因。在医院里，监测患者的液体摄入和排出量至关重要，它能帮助医生及时调整治疗方案，预防液体过载引发的严重后果。然而，目前的监测方法却存在诸多弊端。
传统的尿液输出监测金标准是留置导尿管，它虽然能准确测量尿液体积，但却像一把双刃剑。导尿管在为医疗监测提供便利的同时，也为细菌打开了入侵患者身体的大门，每年美国因导尿管引发的尿路感染病例高达 100 万，治疗这些感染的费用更是在 1.15 亿美元至 18.2 亿美元之间。而且，对于部分患者来说，使用导尿管还存在禁忌。
非侵入性的监测方法，如超声，虽然避免了感染风险，但也并非完美。通用超声设备误差高达 21.8%，且依赖技术人员操作，无法实现连续监测。近年来，虽然超声换能器的小型化推动了可穿戴超声系统的发展，但这些系统大多只能检测排尿或膀胱状态，无法准确估计膀胱体积。
在这样的背景下，为了攻克这些难题，来自佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《npj Digital Medicine》上。
研究人员采用的主要技术方法包括：首先，利用从放射学数据构建的电导率数字孪生模型，通过直接从癌症登月生物库 - 前列腺癌集合（Cancer Moonshot Biobank - Prostate Cancer Collection）获取的 DICOM 数据进行精确的解剖结构分割，构建出与体内条件高度相似的模型。然后，运用有限元分析（Finite Element Analysis）在 COMSOL Multiphysics?v6.0 软件中进行物理模拟，研究不同电极配置下的生物阻抗特性。最后，使用最小绝对收缩和选择算子（Least Absolute Shrinkage and Selection Operator，LASSO）进行线性回归和特征选择，以优化体积估计算法。
下面来看具体的研究结果：
- 电极几何形状对膀胱敏感性的优化：研究人员设计了与解剖结构精确匹配的数字孪生模型，在模型的下腹部放置了一个伪三乘九矩阵电极配置，通过对所有电极配对进行详尽模拟，利用四极 Cole - Cole 弛豫模型计算组织电导率。结果发现，对膀胱体积累积敏感性最高的电极位于内侧。对于较小的膀胱体积，下排电极最为敏感；随着膀胱体积增大，第二排电极敏感性最高。而且，不同频率下电极敏感性模式相似，最终确定了由 15 个电极组成的优化配置。
- 电压幅度和 VCR 行为：对优化后的电极几何形状在不同膀胱体积下进行模拟，通过驱动恒定电流测量电极电压，计算电压变化率（Voltage Change Ratio，VCR）和电压幅度的实部。研究发现，电压变化最大的测量帧并不一定对应最大的 VCR，且 VCR 和电压幅度的最大变化在不同测量帧中，随着注入频率增加，VCR 和电压值向原点略有偏移。
- 使用选定测量帧进行膀胱体积估计：研究人员设计了基于优化电极几何形状的 BIA 体积估计算法，利用 LASSO 进行特征选择。经过超参数调整，在 50kHz 刺激下，使用 7 个测量帧进行预测，对于≥100 mL 的膀胱体积，相对误差限制在?0.06 ± 3.80%（CI95% ?1.11% to 1.00%），<100 mL 时平均绝对误差为 6.09 ml。
- I 级腹水对测量帧的影响：通过模拟两种低级别腹水情况，研究人员发现腹水会使测量帧的电压和 VCR 发生变化，对初始电压变化较小的测量帧影响更为明显，且不同腹水体积对测量帧的影响程度不同。
研究结论和讨论部分指出，该研究利用数字孪生深入探究了生物阻抗信号，为设计非侵入性、可穿戴的连续膀胱监测系统提供了重要依据。通过优化电极几何形状和选择测量帧，显著减少了体积估计所需的测量帧数量，同时降低了计算复杂度，使系统更适合在移动或可穿戴设备上运行。此外，研究还量化了腹水对生物阻抗信号的影响范围，为后续研究提供了参考。然而，研究也存在一定局限性，如在模拟中对腹水和其他组织的简化处理，以及未考虑个体间差异等。但总体而言，这项研究为膀胱体积监测技术的发展开辟了新道路，有望在未来改善 CHF 患者的液体管理，降低死亡率，推动医疗技术向更精准、更便捷的方向发展。
